Cell Metab | C4orf3作为分子电阻参与脂肪细胞UCP1非依赖的Ca2+循环产热

撰文 | 风

焦耳热力学第一定律（Q=I2×R×T）可以解释哺乳动物棕色和米色脂肪UCP1介导的产热原理。这种UCP1介导的非战栗产热也成为机体代谢的重要理论以及代谢获益的靶点【1】。许多动物如猪缺少功能性UCP1，但其脂肪细胞仍保留产热能力【2】。此外，有袋类动物表达非产热UCP1的米色样组织也能发热维持体温【3】。这些证据均提示存在UCP1非依赖的产热途径。近些年研究也证实存在UCP1非依赖的产热途径，如ATP偶联的底物无效循环，包括肌酸、脂肪和Ca2+【4-6】（详见BioArt报道：）。无效循环受到生理刺激如去甲肾上腺素的紧密调节，其特征是两条相反的代谢通路同时进行，其功能紊乱导致病理性高热。迄今为止，无效循环产热的生物学机制仍不甚清楚。根据焦耳热力学定律，无效循环产热的关键是鉴定该通路的分子电阻（R）。在肌肉中，肌脂蛋白（sarcolipin，SLN）作为“R”结合并抑制肌浆网/内质网钙ATP酶A1（SERCA1）干扰Ca2+运输，导致ATP水解产生的能量以热量形式释放【7】。然而，脂肪细胞并不表达SLN或其他SERCA结合肽【8】。因此，脂肪细胞内无效循环的分子电阻仍不清楚。

近日，美国霍华德休斯医学研究所Shingo Kajimura团队在Cell Metabolism杂志在线发表了题为Identification of a molecular resistor that controls UCP1-independent Ca2+ cycling thermogenesis in adipose tissue的研究文章。该文章鉴定C4orf3作为分子电阻解偶联SERCA2b的ATP水解和Ca2+转运引起放热，进而参与UCP1非依赖的Ca2+循环产热和机体能量代谢。

作者基于等温滴定量热法（ITC）技术开发可以在细胞器水平定量热量产生的监测平台。在分离的线粒体，加入苹果酸盐、丙酮酸盐、谷氨酸盐和琥珀酸盐或者棕榈酰肉碱和苹果酸盐分别激活复合体I+II或β氧化并监测热量。在分离的微粒体，加入ATP、Ca2+和/或thapsigargin（SERCA抑制剂）监测微粒体产热。作者分离小鼠肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）和腹股沟白色脂肪组织（lngWAT）来源的线粒体和微粒体并监测产热。结果发现iBAT的产热主要来自复合体I+II和β氧化，而lngWAT则主要来自于SERCA介导的产热和复合体I+II。此外，UCP1缺失进一步促进lngWAT SERCA介导的产热，这可能与UCP1缺失上调SERCA表达有关。总之，这些数据表明UCP1非依赖Ca2+循环产热是lngWAT的重要产热方式，尤其是在UCP1缺失条件下。

随后，作者寻找对于SERCA介导的Ca2+循环产热的关键因子。实验室之前测序数据结合蛋白同源性分析和结构预测发现C4orf3可能是SERCA的结合蛋白。IP实验证实C4orf3可以直接结合SERCA2b。脂肪细胞敲除C4orf3显著促进去甲肾上腺素引起的Ca2+内流，提示C4orf3和SLN类似可以作为SERCA的抑制肽，这与既往研究一致【9】。C4orf3介导的Ca2+内流抑制作用也体现了其在产热中的分子电阻作用。ITC实验证实C4orf3敲除脂肪细胞来源的微粒体Ca2+循环产热显著降低。那么，C4orf3如何调节SERCA2b的Ca2+转运效率呢？AlphaFold3预测结合Turbo-ID邻近标记蛋白质组学分析发现C4orf3借助其跨膜域结合在SERCA2b的跨膜域。突变实验也证实C4orf3的跨膜域和胞内域对于Ca2+循环产热十分重要。值得一提的是，C4orf3必须在SERCA2b存在时发挥产热作用。这些数据支持C4orf3通过降低SERCA2的Ca2+转运效率，促进微粒体Ca2+循环产热。

在体内，C4orf3敲除与对照小鼠在6℃冷刺激时直肠温度没有差异，这可能与脂肪组织代偿性UCP1产热增加以及骨骼肌战栗产热有关。分离低温刺激小鼠的lngWAT发现C4orf3敲除缺失增加脂肪组织的氧化代谢率（OCR）。此外，转录分析也表明C4orf3敲除增加脂肪组织Ucp1和Dio2表达。ITC实验直接表明C4orf3敲除小鼠来源线粒体UCP1介导的产热量增加。因此，为了排除UCP1的代偿作用，作者构建C4orf3和UCP1双敲小鼠（DKO）。DKO和UCP1敲除小鼠经过CL316,243（β3肾上腺素能受体激动剂）处理后给予6℃冷刺激。UCP1敲除小鼠在6小时内都可以维持核心温度，而DKO小鼠核心温度逐渐降低至5小时低于30℃，甚至在6小时发展为低温症。Ca2+摄取和ITC实验揭示DKO小鼠来源的微粒体Ca2+摄取能力增强以及产热增加。值得注意的是，RNA-seq分析也表明UCP1缺失时脂肪组织Ca2+循环产热相关基因表达增加，如Atp2a2（编码SERCA2）、Ryr2和Itpr1。这些结果均提示C4orf3对于UCP1非依赖产热以及冷刺激适应是必须的。

最后，作者检测不同体重脂肪组织C4ORF3的表达差异，发现3级肥胖（BMI>40）和2型糖尿病患者皮下脂肪细胞C4ORF3表达显著降低。GWAS研究提示C4ORF3与BMI、低密度脂蛋白胆固醇和冠心病均有关。这些结果提示C4ORF3与能量代谢相关。在正常饮食时，尽管小鼠摄食和体重无差异，但C4orf3敲除小鼠的脂肪组织占比更多。病理切片分析发现C4orf3敲除小鼠的附睾和腹股沟脂肪细胞体积更大。胰岛素耐量实验表明正常饮食条件下C4orf3敲除小鼠胰岛素耐量降低，且空腹胰岛素和血清甘油三酯水平也高于对照组。总之，C4orf3缺陷促进肥胖和胰岛素抵抗。

综上所述，这项研究揭示内质网膜锚定肽-C4orf3可以解偶联SERCA2b的ATP水解和Ca2+转运，进而引起放热。C4orf3缺失增强Ca2+转运效率但抑制SERCA介导的UCP1非依赖产热，并加重脂肪比例和胰岛素抵抗。总之，C4orf3作为分子电阻参与UCP1非依赖的Ca2+循环产热和能量代谢。

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2025.03.009

制版人： 十一

参考文献

1. Barbara, Cannon., Jan, Nedergaard.(2004). Brown adipose tissue: function and physiological significance.Physiol Rev, 84(1), 0. doi:10.1152/physrev.00015.2003

2. Frida, Berg., Ulla, Gustafson., Leif, Andersson.(2006). The uncoupling protein 1 gene (UCP1) is disrupted in the pig lineage: a genetic explanation for poor thermoregulation in piglets.PLoS Genet, 2(8), 0. doi:10.1371/journal.pgen.0020129

3. Susanne, Keipert., Michael J, Gaudry., Maria, Kutschke., Michaela, Keuper., Margeoux A S, Dela Rosa., et al.(2024). Two-stage evolution of mammalian adipose tissue thermogenesis.Science, 384(6700), 0. doi:10.1126/science.adg1947

4. Lawrence, Kazak., Edward T, Chouchani., Mark P, Jedrychowski., Brian K, Erickson., Kosaku, et al.(2015). A creatine-driven substrate cycle enhances energy expenditure and thermogenesis in beige fat.Cell,163(3), 0. doi:10.1016/j.cell.2015.09.035

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6. Yizhi, Sun., Janane F, Rahbani., Mark P, Jedrychowski., Christopher L, Riley., Sara, Vidoni., et al.(2021). Mitochondrial TNAP controls thermogenesis by hydrolysis of phosphocreatine.Nature, 593(7860), 0. doi:10.1038/s41586-021-03533-z

7. Sanjaya K, Sahoo., Sana A, Shaikh., Danesh H, Sopariwala., Naresh C, Bal., Muthu, Periasamy.(2013). Sarcolipin protein interaction with sarco(endo)plasmic reticulum Ca2+ ATPase (SERCA) is distinct from phospholamban protein, and only sarcolipin can promote uncoupling of the SERCA pump.J Biol Chem, 288(10), 0. doi:10.1074/jbc.M112.436915

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9. Anderson Douglas M., Makarewich Catherine A., Anderson Kelly M., Shelton John M., Bezprozvannaya Svetlana., Bassel-Duby Rhonda., Olson Eric N.(2016). Widespread control of calcium signaling by a family of SERCA-inhibiting micropeptides.Sci Signal, 9(457), ra119. doi:10.1126/scisignal.aaj1460

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